《海洋要素计算与预报》课程教学初探

中国虽然地大却不物博, 而且庞大的人口基数更是限制了人均资源的占有量, 随着陆地资源的日益减少, 这种形势会越来越严峻。作为一个发展中的沿海大国, 中国陆地岸线长达18000多公里, 因此要确保国民经济持续发展, 必须把海洋的开发和保护作为一项长期的战略任务。海洋一方面可以为沿岸居民提供资源, 但同时还可能带来各种形式的自然灾害, 中国就是世界上受海洋灾害影响最为严重的国家之一。影响中国沿海的海洋灾害主要包括风暴潮、海浪、海冰、地震海啸、海岸侵蚀、台风、海雾, 以及赤潮等有害藻华。据统计, 海洋灾害在各类自然灾害所导致的经济总损失中约占10%。需要指出的是:人类无论是利用海洋资源、还是进行港口海岸工程建设以及海洋石油平台开发建设, 或是对海洋灾害进行有效的减灾防灾预案, 都需要对海洋的特性或要素进行深入了解。近些年来, 由于国家加大了海洋事业的发展力度, 使得海洋专业人才的培养在一定程度上出现了缺口, 从客观上促进了地方性的海洋大学或海洋学院的迅猛发展。因此在相关专业方向开设《海洋要素计算与预报》这门课程, 进而提高学生的专业素养和实际能力就显得非常必要。

1《海洋要素计算与预报》的课程内容

顾名思义, 《海洋要素计算与预报》就是指用数值方法去揭示海洋环境中各种水文物理要素的变化规律, 它是物理海洋专业重要的基础应用课程。按照海洋学科的专业规划, 这门课程需要安排在《海洋科学导论》和《物理海洋学》两门专业基础课结束之后。三门课程都是以海洋环境中的各种水动力过程作为研究对象, 但是侧重点又各不相同。《海洋科学导论》是本专业的入门课程, 以介绍和描述物理海洋现象为主[1];而《物理海洋学》则是着重探讨主要物理海洋过程的基本理论[2];与上述两门基础理论课不同, 《海洋要素计算与预报》更强调基础知识的实际应用, 也就是说培养学生用数值方法和计算机手段去研究海洋环境中的物理要素, 了解其长期的变化规律。

针对各种海洋动力过程, 本门课程除了对主要物理海洋要素如潮汐、潮流、海流、温度、盐度以及海浪的基本概念进行简单介绍外, 更加侧重各种要素的计算和预报。在学生掌握引潮力和引潮势的展开的基础上, 着重研究潮汐潮流的分析方法和预报手段, 以及和港口海岸工程相关的潮汐特征值的计算方法和潮汐频率分布的应用[3];引导学生学会海洋观测数据的主要获取方法、表征方法及数据分析基本原理, 重点讲解逐步回归分析方法在温度和盐度预报中的应用, 对进行温度和盐度分析的其他典型方法也做必要介绍;介绍大尺度海洋环流几种典型模式的差分近似方法, 海流动力学方程差分格式的稳定性分析, 熟悉潮流、海流数值预报方法的原理, 以及控制方程的性质、边界条件的处理方法[4];和海洋工程相关的几种典型的海浪的经验计算方法[5]。另外, 为了突出本门课程的实用性, 课程将总学时的2/3的时间安排理论讲解和课堂讨论, 另外1/3的学时进行上机试验, 希望学生能够学以致用, 将理论知识迅速转化为自身的技能。

2《海洋要素计算与预报》课程教学的注意事项

《海洋要素计算与预报》是近些年为适应海洋实用性人才培养而在海洋相关大学和学院开设的一门新课程, 一直以来无论是在教学内容上还是在教学方法上都还处在探索和积累的过程中, 没有成熟的教材和资料可以借鉴。针对上海海洋大学目前的学科特点, 我们主要是在海洋技术专业和海洋环境专业两个学科方向开设了该课程。讲授内容既包括海洋物理要素如潮汐、温度、盐度、海流、海浪的变化规律和控制原理, 也包括研究这些海洋要素的数值方法和手段。讲授中注意理论联系实际, 通过必要的公式推导, 启迪学生的思维, 加深学生对有关概念、理论等内容的理解, 并应采用多媒体辅助教学, 加大课堂授课的知识含量。

由于本门课程涉及内容较多且分散, 因此要安排相当比例的自学内容, 自学部分的工作量应不少于课堂教学学时数的20%, 主要是安排学生自学Fortran或Matlab计算机语言, 并安排适当的上机试验课来检验和巩固自学成果, 从而为顺利完成本门课的课程设计任务作好准备。平时作业也必不可少, 在主要章节讲授完之后, 要布置一定量的文献阅读, 并撰写读书报告等, 进行课堂讨论, 旨在加深学生对所学知识的理解、运用, 拓宽学生的知识面, 了解本门学科的最新进展。

在教学方法上借助MODIS卫星图片和其他可视化手段把特定海域现场调查或模型计算的温度、盐度和流场展现出来, 以激发学生的学习兴趣。通过互动式教学, 对常见的水动力过程如潮汐、波浪, 老师通过提问的方式, 让学生来回答, 鼓励学生多观察多思考, 积极提出其感兴趣的相关问题;也可通过课堂讨论的形式让学生以课题小组为单位就某一问题阐述自己的观点认识。这种方式可以培养学生养成学习的主观能动性, 积极消化课堂知识。对于授课过程中一些重要的数学公式的推导采取板书的形式, 为的是加深学生的理解。在每一堂课结束前, 对内容进行简单的小结, 和学生一道梳理知识至于考核方式, 由于本门课程定性为一门应用基础课, 主要强调它的实用性, 因此在考核时不是以考察学生的记忆为主, 而是检验学生对所学知识的掌握程度和应用技巧, 尤其是借助参考书和计算机解决实际问题的能力。

3 结语

本文主要介绍了在海洋科学专业新开课程《海洋要素计算与预报》的教学内容和课程特点, 在此基础上提出了作者对该课程教学的一些思考, 希望籍此推动该课程的进一步发展, 以取得更好的教学效果。

摘要：《海洋要素计算与预报》是涉海院校为培养海洋专业实用人才新增课程, 主要讲授海洋物理要素的变化规律、基本原理和数值计算方法。本文针对该课程的研究内容和课程特点, 并结合教学实践, 提出了理论与实践并重, 课堂教和课后学相结合的教学方法, 注重培养学生借助参考书、相关文献和计算机解决实际问题的能力。

关键词：海洋要素,计算与预报,研究内容,教学方法

参考文献

[1] 冯士筰, 李凤岐, 李少菁.海洋科学导论[M].北京:高等教育出版社, 1999.

[2] 侍茂崇.物理海洋学[M].山东:山东教育出版社, 2005.

[3] 方国洪, 郑文振, 陈宗镛, 等.潮汐和潮流的分析和预报[M].北京:海洋出版社, 1986.

[4] 蒋德才.工程环境海洋学[M].北京:海洋出版社, 2004.

[5] 文圣常.海浪理论和计算原理[M].北京:科学出版社, 1984.